[發明專利]一種基于矩張量分析的巖石起裂應力與損傷應力辨識方法

有效

• 申請號: 202110584184.0
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113218766B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 龔囪;包涵;趙奎;王文杰;曾鵬;王曉軍;鐘文;黃震
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N1/08;G01N1/28;G01N29/14;G01N29/44;G06F17/15
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 盧會剛

1.一種基于矩張量分析的巖石起裂應力與損傷應力辨識方法，其特征在于，包括以下步驟：

制備標準巖石試件；

對標準巖石試件進行破壞過程聲發射震源定位試驗，獲取聲發射震源位置；

采用矩張量理論對聲發射震源類型進行辨識；

根據不同類型震源快速增長起點對應的應力對巖石起裂應力σ_ci、損傷應力σ_cd進行辨識；

辨識聲發射震源類型包括：波形文件的提取、P波到達時間t_i和初動振幅A_i的拾取、矩張量求解與震源類型辨識四步驟；其中，

波形文件的提取：提取每個震源對應的波形文件，利用人工或程序進行波形文件的提取；

P波到達時間t_i和初動振幅A_i的拾取：采用F_C3作為拾取P波到達時間的特征函數，同時選擇信號起點至能量變化最大點作為檢測區間，計算AIC函數值：

AIC(k_w)＝k_w·log(var(R_w(1,k_w)))+(n_w-k_w-1)·log(var(R_w(1+k_w,n_w))) (1)

式中：R_w、k_w分別為所選窗口的時間序列與所有的時間序列；var、n_w為方差函數和采樣長度；

將AIC函數最小點作為P波到達時間t_i，以t_i之后振幅中第一個極值點作為初動振幅A_i的值；

矩張量求解：通過提取有效信號的初動振幅A_i、震源與傳感器的距離R和方向余弦r，求解矩張量M的獨立分量：

式中：A(x)為初動振幅；R,r分別為聲源與傳感器之間的距離和方向余弦；C_S為傳感器靈感度相關系數；Ref(t,r)為反應系數，取2；

矩張量各元素關于對角線對稱，即m_ij＝m_ji，完成矩張量各元素m_ij的求解；

震源類型辨識：從矩張量中得出3個特征值，將最大、中間與最小的特征值分別定義為λ_max、λ_int、λ_min；對3個特征值進行歸一化處理，得到X,Y,Z，其中X＝λ_max/λ_max,Y＝λ_int/λ_max，Z＝λ_min/λ_max，歸一化處理公式如下：

根據X的取值，對震源類型進行辨識，辨識依據如下所示：

起裂應力σ_ci和損傷應力σ_cd辨識方法如下：

確定震源產生時間標度：以各傳感器接收到聲發射信號最小時間min(T_i)作為該震源的時間標度；采用位移控制進行聲發射震源定位試驗加載，試件軸向應變與試驗時間呈線性關系，如下所示：

式中：ε—為試件軸向應變值；

Δl，l—分別為試件變形量與試件高度，單位mm；

k—為加載速率，mm/s；

x—為試驗時間，單位s；

將每個震源對應的時間T_i代入式(4)，求出該震源對應的應變值ε_i，以震源對應的應變值ε_i為X軸，以震源數為Y軸，分別繪制累計剪切震源數、累計張拉震源數與累計混合震源數曲線，并將它們疊加在試件應力-應變曲線之上；

劃分微裂紋演化不同階段：取應力-應變曲線近似直線段AB為微裂紋穩定發展階段，取應力-應變曲線A點之前為微裂紋壓密階段，取應力-應變曲線B點之后峰值應力σ_c之前為微裂非穩定發展階段；

不同類型震源快速增長起點確定：自彈性至微裂紋穩定發展階段作剪切震源累計曲線第一條近似直線l_J，以剪切震源累計曲線第一個偏離直線l_J的點為J點，則J點為剪切震源快速增長的起點；自彈性至微裂紋穩定發展階段作張拉震源累計曲線第一條近似直線l_Z，以張拉震源累計曲線第一個偏離直線l_Z的點為Z點，則Z點為張拉震源快速增長的起點；自彈性至微裂紋穩定發展階段作混合震源累計曲線第一條近似直線l_H，以混合震源累計曲線第一個偏離直線l_H的點為H點，則H點為混合震源快速增長的起點；

起裂應力σ_ci和損傷應力σ_cd的辨識：過J點作Y軸平行線，交應力-應變曲線于JJ點，取JJ點的坐標為(ε_J,σ_J)；過Z點作Y軸平行線，交應力-應變曲線于ZZ點，取ZZ點的坐標為(ε_Z,σ_Z)；過H點作Y軸平行線，交應力-應變曲線于HH點，取HH點的坐標為(ε_H,σ_H)；取σ_J、σ_Z、σ_H的最小值為起裂應力σ_ci，即起裂應力σ_ci＝min(σ_J,σ_Z,σ_H)；取σ_J、σ_Z、σ_H的最大值為損傷應力σ_cd，即損傷應力σ_cd＝max(σ_J,σ_Z,σ_H)。